MỤA LỤC
MỤC LỤC……………………………………………………………………………......….6
DANH MỤC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH........................................................................7
DANH MỤC BẢNG BIỂU..........................................................................................10
LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................11
LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................12
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI.............................................................................13
1.1 Đặt vấn đề............................................................................................................13
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ...........................................................14
2.1 Quy trình hoạt động của máy...............................................................................14
2.2 Tính toán thiết kế khung máy...............................................................................16
2.2.1 Các phương án thiết kế máy.............................................................................17
2.2.1.a Phương án 1: chuyển động hệ tọa độ đề các (XZ)........................................17
2.2.2 Lựa chọn phương án thiết kế máy....................................................................19
2.3 Tính toán, thiết kế các cơ cấu truyền động cho máy phun keo............................21
2.3.1 Một số bộ truyền dẫn thông dụng......................................................................21
2.3.2 Tính toán truyền động cho cụm trục X (bộ truyền đai răng...............................25
2.3.3 Tính toán truyền động cho cụm trục Z (vít me đai ốc thường)..........................27
2.3.3.c Tính toán đường kính trung bình của trục vít me...........................................28
2.3.4 Tính toán và lựa chọn động cơ.........................................................................31
CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH PHÁT HIỆN BIÊN DẠNG VẬT THỂ.......................35
3.1 Ứng dụng xử lí ảnh phát hiện biên dạng vật thể..................................................35
3.2 Mục tiêu ứng dụng của xử lí ảnh trong đề tài......................................................36
3.3 Thiết kế chương trình phát hiện biên dạng sản phẩm.........................................37
3.3.1 Tổng quan thiết kế và nguyên lí hoạt động.......................................................37
3.3.2 Camera calibration............................................................................................39
3.3.3 Contour detection..............................................................................................41
3.3.4 Auto coordination...............................................................................................56
CHƯƠNG 4: HỆ ĐIỀU KHIỂN VÀ MODULE PHUN KEO........................................63
4.1 Các thiết bị điện sử dụng cho máy in...................................................................63
4.1.1 Broad SKR V1.4................................................................................................63
4.1.2 Driver.................................................................................................................64
4.2 Các thiết bị khí nén sử dụng cho máy in..............................................................65
4.2.1 Van lọc khí.........................................................................................................65
4.2.2 Van điều áp.......................................................................................................66
4.2.3 Van điều hướng 3/2..........................................................................................67
4.2.4 Đồng hồ cảm biến hiển thị áp suất...................................................................68
4.2.5 Chương trình điều khiển máy...........................................................................69
CHƯƠNG 5: GIA CÔNG VÀ KIỂM TRA HỆ THỐNG..............................................71
5.1 Chế tạo sản phẩm thực tế..................................................................................71
5.1.1 Tổng quan hệ thống.........................................................................................71
5.2 Kết quả thực nghiệm..........................................................................................72
5.2.1 Xác định biên dạng vật mẫu............................................................................72
5.2.2 Đánh giá kết quả sau khi phun keo.................................................................73
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..............................................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………...........….85
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án, em đã nhận được sự hỗ trợ, chỉ dẫn quý báu từ các thầy cô, anh chị và bạn bè. Với lòng biết ơn chân thành, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt là Ban giám hiệu Trường Cơ khí, đã tạo dựng một môi trường học tập tích cực, chuyên nghiệp nhưng vẫn gần gũi, thân thiện.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô và cán bộ Đại học Bách khoa Hà Nội đã luôn tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ nhóm trong suốt thời gian học tập tại trường. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn tới các cán bộ Thư viện Tạ Quang Bửu, những người đã tận tình giúp đỡ chúng em trong việc tìm kiếm tài liệu phục vụ cho nghiên cứu. Sự giảng dạy nhiệt tình của các thầy cô trong các môn chuyên ngành đã là nguồn động viên lớn giúp nhóm hoàn thành đồ án này. Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy: PGS.TS. …………….., người đã trực tiếp hướng dẫn và đưa ra những lời chỉ dẫn quý báu giúp em có thể hoàn thiện đồ án một cách tốt nhất.
Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp,em đã cố gắng tìm hiểu, nghiên cứu các tài liệu và kiến thức cần thiết. Tuy nhiên, do còn nhiều thiếu sót về kiến thức và kinh nghiệm thực tế, đồ án vẫn còn một số hạn chế, chưa thực sự hoàn thiện. Vì vậy, em rất mong thầy cô sẽ đánh giá và góp ý một cách khách quan, để em có thể hoàn thiện đề tài đồ án tốt nghiệp một cách tốt nhất.
Em xin chân thành cảm ơn!
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1.1 Đặt vấn đề
Trong lịch sử phát triển của con người, keo đóng một vai trò quan trọng từ lâu đời, với những ứng dụng đầu tiên trong việc làm giấy và sử dụng như một chất dính trong thời kỳ La Mã và Trung Cổ. Qua thời gian, keo đã trở thành nguyên liệu không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp như sản xuất giấy, gỗ, và các sản phẩm nhựa.
Tuy nhiên, trong quá trình tìm tòi nghiên cứu và trải nghiệm, em nhận thấy các hệ thống phun keo tự động được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất hiện nay thường chỉ được thiết kế để phun keo theo một số hình dạng cố định của sản phẩm, điều này làm giảm khả năng áp dụng và sự đa dạng trong ứng dụng. Để khắc phục vấn đề này, em đã phát triển ý tưởng và triển khai đề tài "Thiết kế và chế tạo hệ thống nhận diện và phun keo theo biên dạng 3D của sản phẩm".
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ
2.1 Quy trình hoạt động của máy
Tổng quan nguyên lí hoạt động của hệ thống như hình 2.1.
1. Nhận diện biên dạng vật:
Các thông số của camera được hiệu chỉnh thông qua chương trình hiệu chỉnh camera (tỉ lệ, tọa độ tâm camera), sau đó vật mẫu được đưa vào để nhận diện biên dạng, lấy toạ độ các điểm thuộc biên dạng vật.
2. Tính toán tọa độ và kích thước của biên dạng:
Thông qua chương trình tính toán, hệ thống xác định tọa độ và kích thước biên dạng theo mặt phẳng XY của hệ tọa độ máy.
4. Quét biên dạng để đo độ cao bằng laser:
Chương trình điều khiển sẽ điều khiển laser quét qua đúng biên dạng để đo thông số chiều cao h của vật thể.
8. Kiểm tra đường phun keo:
Camera kiểm tra lại đường phun keo về kích thước và tọa độ, so sánh thông số đo được thực tế với kết quả thông số tính toán dựa trên mô hình 3D. Tính toán ra tỉ lệ % độ trùng khớp giữa hai kết quả, đảm bảo tính chính xác của công đoạn phun keo.
Để thực hiện quy trình hoạt động một cách chính xác, phù hợp thì cần xây dựng hệ thống với ba modules chức năng cơ bản, phụ trách các nhiệm vụ khác nhau:
1. Cụm camera và laser:
Hệ thống camera và laser cần được tính toán ở vị trí thích hợp để đo được chính xác kích thước và tọa độ thực tế của biên dạng, cung cấp dữ liệu đầu vào cho các bước tính toán tiếp theo.
2. Cơ cấu phun keo:
Gồm máy nén khí, hệ thống van khí áp và cụm đầu phun, mục tiêu thiết kế để đầu phun keo phun được đúng lượng keo yêu cầu, đường keo không bị đứt gãy. Khi kết thúc quá trình phun keo không bị tắc quá nhiều ở đầu phun.
2.2 Tính toán thiết kế khung máy
Nghiên cứu, thiết kế máy phun keo tự động với 5 đặc điểm và 7 thông số đầu vào như sau:
- Kích thước tối đa sản phẩm: 100x100x100 mm
- Máy thiết kế đơn giản, gọn gàng, dễ sử dụng, kiểu dáng công nghiệp
- Kết cấu máy có độ cứng vững, độ chính xác cao
- Giá thành sản xuất thấp
2.2.1 Các phương án thiết kế máy
2.2.1.a Phương án 1: Chuyển động hệ tọa độ đề các (XZ)
Theo phương án này bàn phun keo sẽ chuyển động theo trục Y, đầu phun keo sẽ chuyển động theo 2 phương X và Z
* Ưu điểm:
- Kết cấu đơn giản, các chi tiết dễ gia công
- Độ cứng vững của máy cao giúp tăng độ chính xác của máy phun keo
- Độ cứng vững của máy cao hơn chuyển động cartesian X,Y và tương đương kết cấu delta
* Nhược điểm:
- Trục Z khó căn chỉnh khi tắt máy, nếu căn chỉnh k đều 2 phương thì đầu phun keo dễ bị kênh
- Độ cứng vững của bàn phun keo chưa được cao
2.2.1.b Phương án 2: Chuyển động hệ tọa độ Đề các (XY)
Theo phương án này bàn phun keo sẽ chuyển động theo trục Z, đầu phun keo sẽ chuyển động theo 2 phương X và Y
* Ưu điểm:
- Kết cấu tương đối đơn giản, dễ dàng gia công và lắp đặt
- Tốc độ phun keo tốt hơn chuyển động cartesian - X,Z và tương đương với kết cấu delta
* Nhược điểm:
- Bàn phun keo khó căn chỉnh, mất nhiều thời gian setup máy
- Kích thước máy lớn và cồng kềnh hơn so với kết cấu Cartesian - X,Z
2.2.1.c Phương án 3: chuyển động theo kết cấu delta
Theo phương án này đầu phun keo sẽ chuyển động lphun keoh hoạt theo 3 phương X,Y,Z
* Ưu điểm:
- Các kết cấu di chuyển nhỏ nên quán tính máy nhỏ, di chuyển êm, mượt mà
- Độ cứng vững khá cao, có thể phun keo được vật thể có chiều cao lớn.
* Nhược điểm:
- Khổ máy lớn, cồng kềnh, gây khó khăn cho quá trình vận chuyển máy
- Khó setup và căn chỉnh máy
2.2.2 Lựa chọn phương án thiết kế máy
Dựa vào ba phương án đã đưa ra ở trên, ta thấy mỗi phương án có ưu điểm và nhược điểm riêng. Tuy nhiên em đã phân tích và lựa chọn phương án 2 với hai lí do chính:
- Thứ nhất là do đặc thù của hệ thống yêu cầu khu vực đầu phun có không gian rộng để tích hợp cả module đầu phun keo và laser, cùng với các ống dẫn khí và dây kết nối, vì vậy thiết kế bàn thao tác có khả năng di chuyển theo trục Z sẽ giúp việc tính toán vị trí và kích thước của module dễ dàng hơn.
- Thứ hai là, với phương án thiết kế này, máy có thể được chế tạo dưới dạng khung hình hộp chữ nhật, thiết kế gọn gàng, mang tính công nghiệp và thuận tiện cho việc tháo lắp.
2.3 Tính toán, thiết kế các cơ cấu truyền động cho máy phun keo
2.3.1 Một số bộ truyền dẫn thông dụng
2.3.1.a Truyền động đai răng
Đai răng là loại đai được sử dụng phổ biến và rộng rãi trong nhiều máy công nghiệp. Đai được cấu tạo gồm 2 phần:
- Thân đai: có dạng hình chữ nhật, có độ bền cao, khả năng đàn hồi và chịu mài mòn tốt. Thân đai được làm từ một số vật liệu như cao su, polyurethan, hoặc sợi thủy tinh,...
- Răng đai: có nhiệm vụ truyền động và ăn khớp giữa đai và bánh puli, được bố trí đều ở phía mặt trong của đai.
2.3.1.b Truyền động bánh ma sát
Truyền động bánh ma sát là truyền động tạo ra nhờ lực ma sát giữa bánh xe truyền động và sống trượt được làm phẳng. Nhờ đó chuyển động quay được biến thành chuyển động tịnh tiến.
* Ưu điểm:
- Thiết kế và chế tạo đơn giản: giúp dễ dàng lắp đặt và bảo trì
- Chi phí thấp: do bề mặt của bánh ma sát và sống trượt được làm phẳng nên giảm chi phí sản xuất đi đáng kể
* Nhược điểm:
- Hiệu suất thấp: do truyền động được tạo ra nhờ lực ma sát nên dễ bị trượt dưới tải trọng lớn
- Độ bền kém: sau một thời gian làm việc, bánh xe và sống trượt bị mòn dẫn đến phải bảo trì hoặc thay thế
2.3.1.c Truyền động vít me đai ốc
Bộ truyền động vít me đai ốc là bộ truyền dùng để biến chuyển động quay của trục vít me thành chuyển động tịnh tiến của đai ốc. Đai ốc và trục vít me được chế tạo chính xác làm tăng hiệu suất của bộ truyền. Khi trục vít quay được một vòng thì đai ốc tịnh tiến được một đoạn bằng bước của trục vít me. Có 2 loại bộ truyền:
* Vít me đai ốc thường:
- Đặc điểm:
+ Chi phí chế tạo rẻ hơn vít me đai ốc bi
+ Lắp ráp sửa chữa dễ dàng hơn vít me đai ốc bi
+ Kích thước nhỏ gọn, độ ổn định và chịu tải trọng tốt
2.3.1.d Các kiểu lắp trục vít me đai ốc
Có 3 kiểu lắp trục vít me đai ốc: Kiểu lắp cố định cố định (Fixed Fixed), Kiểu lắp cố định tự do (Fixed Free), Kiểu lắp cố định chặn (Fixed Supported)
Kiểu lắp cố định - cố định (Fixed Fixed): cả hai đầu của trục vít me đều được lắp cố định bằng các ổ đỡ hoặc gối cố định. Điều này hạn chế trục vít me di chuyển dọc trục và chỉ có thể quay. Kiểu lắp này thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác rất cao.
Kiểu lắp cố định chặn (Fixed Supported): trục vít me một đầu được lắp với ổ bi hoặc gối bạc cố định (chịu được lực dọc trục và lực hướng tâm), đầu còn lại được lắp với ổ bi đỡ (chỉ chịu lực hướng tâm). Do đó bộ truyền có độ chính xác trung bình, cao hơn kiểu fixed - free và thấp hơn kiểu fixed - fixed
Kết luận: Do tính chất máy phun keo cần độ chính xác cao và làm việc êm nên em quyết định chọn cụm trục X và cụm trục Y chọn cơ cấu truyền động là bộ truyền đai răng. Trục Z chọn bộ truyền vít me đai ốc thường.
2.3.2 Tính toán truyền động cho cụm trục X (bộ truyền đai răng)
Theo sách “Thiết kế dẫn động cơ khí [1] trang 69” ta có các công thức tính toán bộ truyền đai răng như sau:
Xác định modul của đai:
m=35.∛(P1/n1 )=35.∛((10.10-3))/20)=2,778
Dựa vào bảng ta chọn modul đai theo tiêu chuẩn: m = 2
Tính chiều rộng đai:
b = Ψđ.m
Với: Ψđ = 6…..9 - Hệ số chiều rộng đai, chọn giá trị nhỏ nhất khi lấy module tiêu chuẩn lớn hơn m tính toán và lấy giá trị lớn trong trường hợp ngược lại. chiều rộng b lấy trong bảng tiêu chuẩn.
Theo bảng 4.28 ta tra được bề rộng đai theo tiêu chuẩn là b = 5 (mm). Tuy nhiên chúng em đã mua được đai răng có bề rộng b = 6 (mm)
Chiều dài dây đai trên cụm trục X:
lx=2.a1+π.d=2.410+π.12,22=858,39 (mm)
Chiều dài dây đai trên cụm trục Y:
ly = 2.a2+π.d=2.470+π.12,22=978,39 (mm)
Tính toán một số lực cơ bản trên đai:
Như chúng ta đã biết thì các loại đai như đai dẹt, đai thang, đai vuông,... cần lực căng đai rất lớn để đảm bảo lực ma sát lớn để đảm bảo hiệu suất truyền và giảm hiện tượng trượt. Tuy nhiên với đai răng, lực căng đai chỉ cần vừa phải để đảm bảo ăn khớp giữa răng đai và bánh puli.
Tính lực vòng:
Ft = 2T/d=2.4775/(12,22.10-3 )=781505,73 (N)
Khi vận tốc v < 20 (m/s) ta có công thức tính lực tác dụng lên trục như sau: Fr = (1÷1,2).Ft =1,2.28643,21=937806,87 (N)
Vậy ta chọn lực căng đai ban đầu là 938 (kN)
2.3.3 Tính toán truyền động cho cụm trục Z (vít me đai ốc thường)
2.3.3.a Điều kiện làm việc của bộ truyền vít me đai ốc trục Z
Tải trọng cơ cấu phải chịu: m = khối lượng bàn làm việc = 2,5 (kg)
Tốc độ tối đa khi đầu phun keo chạy không: Vmax= 70 (mm/s)
Tốc độ tối đa của động cơ bước: 2000 (vòng/phút)
Tuổi thọ làm việc tối đa: 14600h (5 năm, mỗi ngày 8h làm việc)
Chiều dài trục vít sơ bộ:
L = hành trình + khoảng an toàn + phần gá + phần dôi
=> L = 200 + 50 + 120 + 30 = 400 (mm)
Chọn bước vít theo tiêu chuẩn có bán trên thị trường: p = 2 (mm)
2.3.3.b Tính toán lực dọc trục Fa
Tăng tốc lên:
Fa1 = 𝜇mg + ma + f = (0.1 x 2.5 x 9.8 + 2.5 x 4)/2 = 6,225 N
Chạy đều (lên):
Fa2 = (μmg + f)/2 = (0.1 × 2.5 × 9.8)/2 = 1,225 N
Giảm tốc (lên):
Fa4 = (μmg – ma + f)/2 = (0.1 × 2.5 × 9.8 – 2.5× 4)/2 = 3,775 N
Tăng tốc (xuống):
Fa5 = (μmg – ma – f)/2 = ( 0.1 × 2.5 × 9.8 – 2.5 × 4)/2 = 6,225 N
Chạy đều (xuống):
Fa6 = (μmg – f)/2 = ( 0.1 × 2.5 × 9.8)/2 = 1,225 N
Làm việc (xuống):
Fa7 = (μmg – f)/2 = ( 0.1 × 2.5 × 9.8)/2 = 1,225 N
Giảm tốc (xuống):
Fa8 = (μmg + ma – f)/2 = ( 0.1 × 2.5× 9.8 + 2.5 × 4)/2 = 3,775 N
2.3.3.d Tính toán các thông số của vít và đai ốc
Theo công thức của bộ truyền và yêu cầu về tự hãm, chọn số đầu mối ren zh: Trường hợp cần tự hãm chọn số mối ren = 1, Trái lại nếu yêu cầu vít thực hiện hành trình lớn hơn sau 1 vòng quay thì chọn ren nhiều đầu mối (zh > 1). Chọn = 4. Ta có bước vít:
ph = Zh.p = 4.2 = 8 (mm)
Kiểm tra điều kiện tự hãm:
ρ = arctg(f/cosδ)
=> ρ=arctg(f/cosδ)=arctg(0,12/(cos15°))=7,08°
* Xác định chiều cao đai ốc và số vòng ren:
Từ d2 và hệ số chiều cao ψH tính được chiều cao đai ốc:
H = ψH.d2 = 2,5 .7 = 17,5 (mm) Chọn H = 18 (mm)
* Tính kiểm nghiệm độ bền:
σtđ=√(σ2+3τ2 ) = 0,22 (MPa)≤[σ]
Kết luận: Bộ truyền vít me đai ốc đủ bền
Momen cần thiết của động cơ với hệ số an toàn s = 2
Mđc=M.s=2,2.10-3.2=4,4.10-3 (N.m)
2.3.4 Tính toán và lựa chọn động cơ
2.3.4.a Giới thiệu một số loại động cơ thường dùng
Hiện nay các loại động cơ dùng cho các máy công nghiệp, máy tiện, phay CNC, máy in 3D,... rất đa dạng. Cụ thể là động cơ bước (stepper motor), động cơ servo, động cơ điện đồng bộ hoặc không đông bộ,...
* Động cơ bước (stepper motor):
Động cơ bước là động cơ điện có tốc độ quay vô cấp thông qua các bộ mạch và chương trình điều khiển. Là một loại động cơ được thiết kế di chuyển thành từng bước nhỏ nên đay là một loại động cơ chính xác. Tuy nhiên động cơ này không cần hệ thống phản hồi (feedback). Cấu tạo bao gồm rotor, stato, cuộn dây và bộ điều khiển.
- Ưu điểm: Độ chính xác cao (dùng để điều khiển vị trí, tốc độ, góc quay cần độ chính xác), đơn giản trong điều khiển và động cơ hoạt động ổn định, không quá nóng
- Nhược điểm: Hiệu suất truyền động thấp (khi ở tốc độ cao, động cơ khó kiểm soát được tốc độ từ đó gây ra sai số lớn), tạo ra rung động (do bước di chuyển rời rạc nên lúc hoạt động gây ra rung động), cần điều khiển chính xác (cần có bộ điều khiển tương đối phức tạp thì mới điều khiển chính xác được động cơ)
* Động cơ điện đồng bộ:
Động cơ điện không đồng bộ là loại động cơ có tốc độ quay của rotor bằng với tốc độ quay của starto. Do vậy tần số của dòng điện cung cấp sẽ xác định được tốc dộ quay của động cơ. Cấu tạo gồm 2 phần chính là rotor và starto.
- Ưu điểm: Hiệu suất cao do tốc độ quay lớn, tốc độ quay chính xác do sự đồng bộ của tốc độ quay rotor và từ trường quay, làm việc với hệ số công suất cao (hệ số công suất có thể đạt gần tới 1 từ đó năng suất tổn hao giảm đến mức tối đa)
- Nhược điểm: rất khó khăn khi khởi động (không tự khởi động được mà cần phải có xúc tác như biến tần hoặc động cơ khác tạo momen khởi động), chi phí đắt đỏ và chế tạo phức tạp do động cơ có hiệu suất cao.
2.3.4.b Lựa chọn động cơ
Dựa vào catalog của hãng động cơ NEMA ta chọn động cơ NEMA 17-S với một số thông số cơ bản như sau:
+ Kích thước mặt bích: 42x42 mm
+ Chiều dài thân: 48mm
+ Dòng chịu tải: 2 A
+ Momen xoắn: 0,45 Nm
+ Cảm kháng của pha: 2,91 mH
+ Góc bước 1,8°/step
+ Điện trở cuộn dây: 2 Ω
CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH PHÁT HIỆN BIÊN DẠNG VẬT THỂ
3.1 Ứng dụng xử lí ảnh phát hiện biên dạng vật thể
Công nghệ xử lý ảnh và phát hiện biên dạng vật thể là một lĩnh vực quan trọng trong thị giác máy tính (computer vision), cho phép máy tính phân tích và trích xuất các thông tin từ hình ảnh một cách tự động. Công nghệ này có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và nghiên cứu khoa học, từ y tế, an ninh, đến tự động hóa và robot.
Đặc biệt, một bước ngoặt lớn trong lịch sử xử lý ảnh là sự ra đời của OpenCV (Open Source Computer Vision Library) vào năm 1999. Đây là một thư viện mã nguồn mở được phát triển bởi Intel, cung cấp một bộ công cụ mạnh mẽ và dễ sử dụng cho các ứng dụng xử lý ảnh và thị giác máy tính. Với sự hỗ trợ của OpenCV, công nghệ xử lý ảnh đã phát triển mạnh mẽ, giúp các nhà nghiên cứu và kỹ sư dễ dàng áp dụng vào thực tế các thuật toán phức tạp như phát hiện biên dạng vật thể, nhận dạng đối tượng, và theo dõi chuyển động.
3.2 Mục tiêu ứng dụng của xử lí ảnh trong đề tài
Trong đề tài đồ án này, biên dạng của sản phẩm cần phun keo được giới hạn bởi các yếu tố sau:
- Kích thước: Theo mặt phẳng XY, kích thước của sản phẩm dao động từ 30-100 cm.
- Độ cao: Độ cao hh của các sản phẩm là bằng nhau (mặt trên cùng luôn là mặt phẳng), tuy nhiên, sẽ khác nhau tùy thuộc vào từng vật mẫu phun keo.
Do đó, khi lựa chọn và thiết kế module camera và chương trình xử lý ảnh cần phải đảm bảo 5 điều kiện sau:
+ Nhận diện kích thước: Phải có khả năng nhận diện và phân tích biên dạng các vật mẫu với kích thước trong khoảng 30-100 cm trên mặt phẳng XY.
+ Độ cao: Cần phải tính đến yếu tố mặt trên cùng luôn là mặt phẳng để có thể bắt được hình ảnh toàn diện và chính xác.
+ Tốc độ xử lý: Chương trình xử lý ảnh phải hoạt động nhanh chóng để kịp thời điều chỉnh hệ thống phun keo, đảm bảo quy trình diễn ra liên tục mà không bị gián đoạn.
+ Điều kiện ánh sáng: Hệ thống phải hoạt động tốt trong các điều kiện ánh sáng khác nhau, có thể cân nhắc sử dụng các nguồn sáng phụ để cải thiện chất lượng ảnh.
3.3 Thiết kế chương trình phát hiện biên dạng sản phẩm
3.3.1 Tổng quan thiết kế và nguyên lí hoạt động
Do khung máy đã được thiết kế và lên sơ đồ động học với sự di chuyển trên mặt phẳng XY của đầu phun keo và trục Z của bàn làm việc như đã tính toán ở chương 2, ở chương này, sau khi camera đã chụp được ảnh của vật thể, chúng ta cần đưa tọa độ và kích thước của biên dạng cần phun keo lấy được từ ảnh vào hệ tọa độ của máy để chương trình điều khiển có thể điều khiển đầu phun. Để thực hiện điều này, ta cần xây dựng lưu đồ thuật toán với ba chương trình cơ bản như hình 3.4.
3.3.2 Contour detection
3.3.3.a Mục đích:
- Chương trình này được thiết kế để:
- Kiểm tra độ chính xác của quá trình hiệu chuẩn camera dựa trên hình ảnh thực tế thu được.
- Phát hiện và tính toán kích thước (chu vi, diện tích, bán kính) của biên dạng sản phẩm.
- Sử dụng dữ liệu hiệu chuẩn đã được lưu trữ (bao gồm tỷ lệ mm/pixel) để chuyển đổi các giá trị tính toán từ pixel sang đơn vị thực tế (mm).
3.3.3.b Các bước thực hiện chính:
* Đọc dữ liệu hiệu chuẩn từ tệp JSON:
Chương trình đọc tệp JSON chứa dữ liệu hiệu chuẩn (bao gồm tỷ lệ chuyển đổi scale từ pixel sang mm) đã được lưu trong quá trình hiệu chuẩn trước đó.
Toạ độ “ center” và tỷ lệ “scale” này sẽ được sử dụng để chuyển đổi các giá trị toạ độ tính toán từ pixel trong ảnh sang mm thực tế trong hệ toạ độ máy.
3.3.3.c Chi tiết chương trình
* Chụp ảnh raw(Box Camera feed):
Khi người dùng nhấn phím “s”, chương trình sẽ lưu lại khung hình hiện tại box Camera Feed (mặc định setting của camera khi vào chế độ này là Greyscale để có thể dễ dàng chuyển đổi sang dạng ảnh Binary ở bước sau) và tiếp tục xử lý ảnh để tìm kiếm các contours (biên dạng) trong ảnh.
* Chuyển ảnh xám thành ảnh nhị phân:
Khi đó điểm ảnh (i,j) sẽ được chuyển sang ảnh nhị phân theo điều kiện:
f(i,j) = 0 (Đen) nếu f(i,j)< T
f(i,j) = 255 (Trắng) nếu f(i,j)> T
có giá trị nhỏ hơn hoặc bằng 180 sẽ được đặt thành 0 (đen).
+ Cv2.THRESH_BINARY: Chỉ định loại thresholding là binary (nhị phân), tức là chỉ có hai giá trị: 0 và 255.
Kết quả: Ảnh nhị phân (binary) với các đối tượng trắng trên nền đen.
* Làm mờ ảnh:
- Mục đích: Loại bỏ phần nhiễu trên ảnh nhị phân tạo ra do sự phản xạ ánh sáng không đều trên bề mặt vật mẫu được tạo ra do set up thêm hệ thống chiếu sáng trợ năng cho camera.
Median Blur: là một phương pháp lọc không gian sử dụng giá trị trung vị thay vì giá trị trung bình. Phương pháp này thường được sử dụng để giảm nhiễu "muối và tiêu" (salt and pepper noise) trong ảnh.
- Mục đích: Làm mờ ảnh để giảm nhiễu.
- Giải thích:
+ Binary: Đây là ảnh nhị phân (đã được chuyển về đen trắng từ ảnh gốc bằng phương pháp thresholding).
+ (3, 3): Kích thước kernel được sử dụng để tính toán phép làm mờ. Mỗi pixel trong ảnh sẽ được tính toán từ một khu vực 3x3 xung quanh nó.
+ 0: Tham số này xác định độ lệch chuẩn (σ) của phân phối Gaussian. Khi tham số này là 0, OpenCV tự động tính toán giá trị σ dựa trên kích thước kernel với công thức:
σ0,3.((kernel size)/2-1)+0,8
+ Đối với trường hợp áp dụng kernel kích thước 3x3, giá trị độ lệch chuẩn σ của phân phối Gaussian lúc này bằng 0.95.
+ Kết quả: Ảnh blurred_img sẽ có các chi tiết mờ đi, giúp giảm nhiễu và làm mềm ảnh.
* Xử lí với ảnh blurred_img để nhận diện được biên dạng:
Sau khi làm mờ ảnh bằng Gaussian Blur, lúc này ta có kết quả là ảnh blurred_img với các vùng nhiễu do ánh sáng không đều được xử lí để mờ đi, đồng thời vẫn giữ được nét các đường biên dạng của vật mẫu.
Tiếp theo, ba phép toán sau được áp dụng:
Erosion được sử dụng để loại bỏ các vùng sáng nhỏ trên nền, tránh việc thuật toán nhận diện nhầm các vùng này là đối tượng cần xử lý.
* Nhận diện biên dạng vật mẫu:
Chương trình phát hiện và lưu các điểm thuộc biên dạng vào file JSON như hình 3.21.
- Cv2.findContours(): Đây là hàm trong OpenCV được sử dụng để tìm các biên dạng (contours) trong một ảnh nhị phân.
- Cú pháp của hàm cv2.findContours():
contours, hierarchy = cv2.findContours(image, mode, method)
Tham số contours:
+ contours là kết quả đầu ra của hàm cv2.findContours(). Đây là một danh sách các điểm (hoặc các đoạn thẳng) xác định các biên dạng trong ảnh. Mỗi biên dạng sẽ là một mảng các điểm (x, y), đại diện cho các điểm trên đường viền của đối tượng trong ảnh.
+ Nếu ảnh có nhiều đối tượng, contours sẽ chứa một danh sách các biên dạng tương ứng với từng đối tượng đó.
3.3.4 Auto coordination
3.3.4.a Chuyển đổi hệ tọa độ
Sau khi lưu trữ các chuỗi biên dạng với toạ độ pixel x,y của vật mẫu, ta thực hiện chuyển đổi toạ độ pixel ảnh này thành toạ độ mm trên hệ toạ độ máy:
- All_points = []:
Đây là một danh sách rỗng, nơi sẽ chứa tất cả các điểm tọa độ của các biên dạng đã được chuyển đổi từ pixel sang milimet.
- Vòng lặp for contour in contours::
+ contours là kết quả của hàm cv2.findContours(), chứa danh sách các biên dạng trong ảnh.
+ Mỗi contour là một biên dạng, là một mảng các điểm (x, y) đại diện cho các tọa độ pixel của đường viền đối tượng trong ảnh.
- Contour_points = []:
Mỗi biên dạng sẽ được chuyển đổi thành một danh sách các điểm contour_points, nơi lưu trữ tọa độ của các điểm trên biên dạng sau khi đã được chuyển đổi sang đơn vị milimet.
- Vòng lặp for point in contour::
+ Duyệt qua từng điểm trong biên dạng (contour). Mỗi điểm trong contour là một mảng con dạng [x, y], đại diện cho tọa độ của điểm trong không gian pixel.
+ point[0] là một cặp tọa độ (x, y) của điểm.
- x, y = point[0]:
+ Lấy tọa độ (x, y) của điểm trong biên dạng.
+ Mỗi point trong biên dạng là một mảng con, ví dụ: [[x, y]], vì vậy point[0] trả về [x, y] và chúng ta gán chúng vào biến x và y.
3.3.4.c Buildup 3D model
- Sau khi có được độ cao trung bình của của biên dạng, dựa vào các tọa độ trên mặt phẳng XY của các điểm thuộc biên dạng, ta dựng được model 3D Cura mô phỏng của biên dạng vật mẫu được dựng bằng chương trình Buildup 3D model.
Kết luận: Chương trình phát hiện biên dạng và dựng model 3D được xây dựng hoạt động chính xác, đảm bảo độ chính xác của hệ thống khi xuất lệnh điều khiển đầu phun keo.
CHƯƠNG 4: HỆ ĐIỀU KHIỂN VÀ MODULE PHUN KEO
4.1 Các thiết bị điện sử dụng cho máy in
Để máy hoạt động được thì phần điều khiển hết sức quan trọng và cần thiết. Phần điều khiển như là linh hồn của máy, nó gồm nguồn, một số mạch điện, các dây dẫn kết nối các thiết bị điện với nhau. Trong máy in 3D, các thiết bị điện điều khiển các động cơ bước, cảm biến nhiệt độ, đồng hồ hiển thị áp suất,... Các thiết bị điện cần bố trí hợp lý vào đảm bảo điều khiển đơn giản, dễ dàng nhưng phải chính xác.
4.1.1 Broad SKR V1.4
Broad SKR V1.4 là bo mạch sử dụng vi điều khiển ARM Cortex-M3 STM32F103, làm việc ở tần số 72MHz, có hiệu năng mạnh mẽ và xử lý thông tin nhạy bén, chính xác. Thường dùng để điều khiển máy in 3D hoặc trong các máy CNC
Thông số kỹ thuật broad SKR V1.4 như bàng 4.1.
4.1.2 Driver
Với đề tài này, em sử dụng driver TMC 2208 gắn vào mạch SKR V1.4
Driver TMC 2208 hỗ trợ đa dạng các bước cho động cơ stepper. Đơn giản hóa cho điều khiển, có thể dùng 2 chân để điều khiển động cơ: step (bước) và direction (hướng). Ngoài ra nó còn giúp bảo vệ quá nhiệt và dòng.
4.2 Các thiết bị khí nén sử dụng cho máy in
4.2.1 Van lọc khí
Là một thành phần rất quan trọng trong hệ thống khí động học của máy. Chức năng chính của loại van này là lọc tất cả các tạp chất, bụi bẩn và nước trước khi đưa vào các thiết bị điều chỉnh áp suất trong hệ thống khí nén. Ngoài ra cũng có một số loại van có khả năng điều chỉnh áp suất đầu vào, phù hợp với nhu cầu của hệ thống
Cấu tạo gồm: thân van (làm từ nhôm, nhựa hoặc thép không gỉ để tăng độ bền và chống bị ăn mòn), phin lọc (có nhiều độ lọc từ 5 đến 20 micromet), bộ xả (giúp thải ra ngoài môi trường tạp chất hoặc nước, dầu)
4.2.2 Van điều áp
Van điều áp là loại van dùng để điều chỉnh, ổn định áp suất cho hệ thống sau khi được cung cấp không khí từ nguồn vào. Từ đó giúp bảo vệ hệ thống khí nén, duy trì mức độ làm việc của hệ thống
Cấu tạo gồm: thân van (làm từ các vật liệu bền bỉ như nhôm, nhựa hoặc thép không gỉ), bộ phận điều chỉnh áp suất (gồm có lò xo, cơ cấu màng ngăn hoặc piston để thay đổi áp suất ra), đồng hồ đo áp (hiển thị áp suất cho người dùng theo dõi và dễ dàng thay đổi)
4.2.3 Van điều hướng 3/2
Van điều hướng 3/2 là van dùng để điều hướng dòng khí nén gồm 3 cổng và trong đó có 2 cổng hoạt động. Cổng P (pressure) là cổng cấp nguồn, thường kết nối với đầu vào không khí hoặc chất lỏng. Cổng A (Acctuator) là cổng ra, nối với các thiết bị tiêu thụ. Cổng R dùng để xả hoặc thoát khí, chất lỏng ra ngoài môi trường
Van được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị công nghiệp khi sử dụng hệ thống khí nén. Chức năng chính là đóng ngắt dòng khí nén tới cơ cấu công tác. Trong đề tài này chúng em sử dụng van điều hướng 3/2 có mã SY3120 -5LZ - C6
4.2.5 Chương trình điều khiển máy
Trong đề tài này chúng em sử dụng chương trình điều khiển marlin. Đây là chương trình phổ biến cho các loại máy in 3D, rất linh hoạt và dễ dàng điều chỉnh cho người sử dụng. Sau đây là một số bước cơ bản cho việc viết code trong chương trình Marlin.
CHƯƠNG 5: GIA CÔNG VÀ KIỂM TRA HỆ THỐNG
5.1 Chế tạo sản phẩm thực tế
5.1.1 Tổng quan hệ thống
Mô hình 3D và sản phẩm thực tế như hình 5.1.
Sau khi đã lắp ráp hoàn chỉnh máy in ta tiến hành các bước vận hành máy. Tuy nhiên ta vẫn phải kiểm tra lại một số thứ cơ bản như sau:
- Kiểm tra xem nguồn điện có vào tới các mạch hay không, màn hình có sáng hay không
- Kiểm tra xem các trục có di chuyển ổn định, trơn tru hay không. Nếu bị kẹt thì cần xem lại các khâu lắp ráp
- Căn chỉnh bàn phù hợp với đầu phun để đảm bảo tạo ra sản phẩm không bị lỗi
- Hệ thống khí nén hoạt động ổn định hay chưa, đầu bơm keo có hoạt động ổn định hay không
5.2 Kết quả thực nghiệm
5.2.1 Xác định biên dạng vật mẫu
Kết quả chương trình xử lí ảnh xác định biên dạng vật mẫu như hình 5.3.
5.2.2 Đánh giá kết quả sau khi phun keo
- Có thể thấy đường keo liên tục, không bị đứt gãy và có theo hình biên dạng nhận diện được:
=> Tuy nhiên vẫn có những khúc bị lệch rõ ràng và cần cải thiện thêm về độ chính xác của module phun keo để không bị bắn/văng.
- Không xuất hiện hiện tượng bị tắc keo hay keo thừa dính lại trên kim:
=> Đạt yêu cầu kĩ thuật, cần thêm nhiều lần chạy nữa để kiểm chứng tính ổn định.
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Sau quá trình tìm hiểu và nghiên cứu dựa trên tài liệu tham khảo và những kiến thức đã học, cùng với sự hướng dẫn tận tình của giảng viên thầy: PGS.TS……………., em đã hoàn thành đồ án với đề tài: “Hệ thống nhận diện và phun keo theo biên dạng 3D của sản phẩm “. Kết quả đạt được sau một thời gian dài miệt mài nghiên cứu và học hỏi là một sản phẩm hoàn chỉnh đáp ứng các yêu cầu đã đề ra.
* Những kết quả cụ thể mà em đã đạt được bao gồm:
- Xây dựng được một hệ thống Cơ điện tử từ lập sơ đồ nguyên lí, chế tạo và gia công phần cứng và xây dựng chương trình mô phỏng, điều khiển.
- Nắm vững chức năng và nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử, đặc biệt là động cơ, driver, nguồn, Stepper motor, ...., rèn luyện khả năng lập trình điều khiển các linh kiện này trong hệ thống
- Nâng cao khả năng sử dụng phần mềm SolidWorks, AutoCAD để thiết kế và bố trí các linh kiện điện tử, board mạch.
- Nâng cao tư duy lập trình xử lí ảnh và sử dụng thành thạo những công cụ mới.
* Hướng phát triển đề ra trong tương lai:
- Hiện tại, hệ thống vẫn đang sử dụng phương pháp cấp phôi thủ công, chưa được trang bị bộ cấp phôi tự động. Do đó, một trong những hướng phát triển tiếp theo của nhóm là xây dựng hệ thống cấp phôi tự động và tích hợp tính năng phân loại cũng như tracking sản phẩm, giúp hệ thống có thể hoạt động hiệu quả trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp tự động.
- Thực hiện thử nghiệm thực tế trên các mô hình sản phẩm ứng dụng công nghệ phun keo, tập trung vào hai lĩnh vực chính: ngành công nghiệp may mặc (phun keo cho đế giày) và công nghiệp sản xuất linh kiện điện tử (keo dùng để kết dính các linh kiện). Đối với ngành may mặc, cần nghiên cứu các loại keo phù hợp và thiết kế đầu phun đặc thù, đồng thời cải tiến phần gá đặt sản phẩm để phù hợp với quy trình sản xuất. Trong khi đó, đối với ngành linh kiện điện tử, hệ thống cần được cải thiện về độ chính xác và tốc độ phun để đảm bảo chất lượng và sản lượng sản phẩm đạt yêu cầu.
- Ngoài ra, nhóm cũng đang nghiên cứu khả năng phát triển sản phẩm theo hình thức thương mại, nếu đáp ứng được các điều kiện về nhu cầu thị trường và khả năng sản xuất.
- Cuối cùng, một trong những mục tiêu dài hạn là phát triển tính năng điều khiển máy phun keo từ xa qua các thiết bị di động hoặc kết nối không dây, giúp nâng cao tính tiện dụng và linh hoạt trong việc điều khiển hệ thống.
Dưới sự hướng dẫn tận tình của giảng viên, em đã cố gắng hết sức để vượt qua những khó khăn và hoàn thành đề tài được giao. Tuy nhiên, đồ án vẫn còn một số hạn chế nhất định. Em kính mong các quý thầy cô thông cảm và góp ý để nhóm hoàn thiện tốt hơn trong đồ án này cũng như trong các công việc tương lai.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày … tháng… năm 20…
Sinh viên thực hiện
……………..
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Sổ Tay Công Nghệ Chế Tạo Máy, tập 1 NXB KHKT - Hà Nội 2007.
Nguyễn Đắc Lộc, Ninh Đức Tốn, Lê Văn Tiến, Trần Xuân Việt.
[2]. Sổ Tay Công Nghệ Chế Tạo Máy, tập 2 NXB KHKT - Hà Nội 2003.
Nguyễn Đắc Lộc, Ninh Đức Tốn, Lê Văn Tiến, Trần Xuân Việt.
[3]. Sổ Tay Công Nghệ Chế Tạo Máy, tập 3 NXB KHKT - Hà Nội 2005.
Nguyễn Đắc Lộc, Ninh Đức Tốn, Lê Văn Tiến, Trần Xuân Việt.
[4]. Trịnh Văn Chất, Lê Văn Uyển (02/2006). Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, Nhà xuất bản giáo dục.
[5]. OpenCV, "Gaussian, Median, and Bilateral Filters," OpenCV Documentation.[Online].
Available: https://docs.opencv.org/3.4/dc/dd3/tutorial_gausian_median_blur_bilateral_filter.html. [Accessed: Jan. 21, 2025].
[6]. Basler, "Cameras," Basler. [Online].
Available: https://www.baslerweb.com/en/products/cameras/.
[Accessed: Jan. 21, 2025].
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"